Photoresponse and behavior analysis of rock bream Oplegnathus fasciatus, chub mackerel Scomber japonicus and mud shrimp Upogebia major

Abstract

해양생물의 행동은 서식지의 환경과 밀접한 연관성을 지니며 수중 환경에 적응하기 위하여 끊임없이 진화하고 있다. 동물의 외부환경 인식을 담당하는 시각, 후각, 청각 등 다양한 감각 중에서 시각은 빛 환경의 차이를 감지하며 가장 민감하고 생물의 생존에 중요한 감각 중 하나이다. 동물 안구 시세포에 존재하는 시각수용체는 빛의 일차 감지를 담당하며 종류에 따라 특징적인 최대 흡광도를 나타낸다. 다양한 파장의 빛에 노출되어 있는 육상과 달리 파장에 따른 수심별 투과도가 달라지는 수중 환경에 서식하는 해양생물은 시각수용체의 최대 흡광도와 서식 광환경의 상관관계 연구에 좋은 모델 생물이다. 본 연구에서는 집어등 포획 어종, 양식어종, 그리고 갯벌 생물 각각 1종을 대상으로 LED 파장에 따른 행동 분석과 시각 수용체의 흡광특성을 분석하여 서식 환경별 생물의 광반응과 시각수용체의 상관관계에 대하여 분석하였다. 고등어 (Scomber japonicus)는 국내에서 가장 많이 소비되는 대표적인 수산물의 하나로 주로 집어등을 이용하여 포획하고 있다. 기존에 사용된 메탈 할라이드 또는 할로겐 램프의 에너지 효율과 환경 친화성을 개선하기 위하여 LED 집어등 대체 사업을 진행하고 있으나, 단색 특성의 소자로 구성된 LED 집어등의 집어 효율과 생물의 시각특성과의 상응 여부에 대한 분석 필요성이 제기되고 있다. 본 연구에서는 집어등 포획 어종의 하나인 고등어를 대상으로 시각수용체 유전자와 재구성 색소의 광학 특성을 분석하였다. 고등어 로돕신의 최대 흡광도는 500 nm 인근으로 나타났으며, 이와 연계된 고등어의 파장별 행동 변화 분석을 위하여 파장별 LED 조명 점등 시 고등어의 속도 변화를 수중 음향카메라를 이용하여 분석하였다. 암순응 시 속도를 기준으로, 적색 (627 nm) < 청색 (442 nm) < 백색 (447 nm) < 청록색 (505 nm) 순으로 빨라지는 것을 확인할 수 있었으며, 이는 고등어 시각수용체의 최대 흡광도와 유사한 파장이 빛에 대한 반응을 이끌어내는데 가장 효과적이라는 것을 나타낸다. 쏙 (Upogebia major)은 서남해 지역의 갯벌에 서식하는 갑각류 중 하나로, 조개, 꼬막 등의 패류를 포식하는 갯벌 양식장 내 대표적인 해적 생물이다. 최근 서남해 연안지역에 쏙의 개체수가 늘어나 갯벌 양식장 내 피해가 심각해지고 있어, 개체 수 조절을 위한 다양한 방법들이 제안되고 있다. 본 연구에서는 기존의 물리적인 방법이 아닌 생리학적 감각과 반응 유도를 통한 쏙의 제거 가능성을 탐색하기 위하여 시각수용체의 최대 흡광도를 분석하고 LED 파장별 행동 분석을 시도하였다. 쏙 안구 색소의 흡광특성을 분석한 결과 주요 시각수용체의 최대 흡광도는 500 nm 인근으로 나타났다. 또한, 쏙을 Y-자형 수조에 순치한 다음 LED 광량별 / 파장별 조사 시 움직임 변화를 비디오 추적시스템을 이용하여 분석한 결과, 최대 흡광도와 유사한 505nm 파장에 대하여 가장 높은 광 반응성을 나타내었다. 이는 쏙의 주요 시각수용체 최대 흡광도와 유사한 파장이 쏙의 행동을 유도하는데 효과적이라는 것을 나타내며, 반대로 장파장 계열에서는 빛에 대한 반응을 하지 않는 것을 확인하였다. 돌돔 (Oplegnathus fasciatus)은 수요가 증가하고 있는 대표적인 양식 어종으로 생리학적 연구에 대한 관심이 증가하고 있다. 돌돔의 광수용체 최대 흡광도와 광 민감성을 연구하기 위하여 암순응 어류로부터 안구를 추출하여 간상세포와 원추세포를 분리하고 흡광특성을 분석하였다. 간상세포가 포함된 분획에서 발견되는 색소는 500 nm에서 최대 흡광도를 나타냈으며, 원추세포는 425 nm, 520 nm, 585 nm에서 각각 최대 흡광도를 나타내었다. LED 파장에 따른 광수용체의 반응성을 분석하기 위하여 6종류의 LED를 대상으로 파장별 그리고 2가지 광량별 (27 μmole/m2/s, 343 μmole/m2/s)에서의 광 민감성을 분석한 결과 505 nm에서 가장 높았고, 530 nm > 465 nm > 405 nm > 590 nm > 655 nm 순서로 나타났다. 또한, 파장과 연계된 돌돔의 행동 변화를 비디오 추적시스템을 이용하여 분석한 결과 청록 LED (505 nm)에서 가장 빠른 움직임의 변화를 나타내는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 간상세포 시각수용체의 최대 흡광도와 유사한 파장이 빛에 대한 반응을 이끌어내는데 효과적이라는 것을 나타낸다. 수산물 수요 증가를 맞추기 위해 양식산업의 규모가 확장됨에 따라 노동집약적인 산업 기술을 4차 산업혁명 시대에 맞추어 자동화 양식산업으로 전환할 필요성이 제기되고 있다. 현재까지 자동화 설비와 IoT 등을 활용한 기술은 일부 진행되고 있으나 실시간 생물 상태 모니터링 및 이상 상태 감지 기술은 개발되지 않아 도입이 필요한 상황이다. 본 연구에서는 돌돔의 움직임 동영상을 상황별로 기록한 다음 양식장 내 어류의 실시간 모니터링과 비정상 개체 탐지를 위한 딥러닝 기술을 개발하였다. 이는 질병 등에 의한 대량 폐사에 선제적으로 대응하고 양식 생산성을 효율적으로 증대할 수 있는 기술이라 판단된다. 본 연구에서 연구한 해양생물 3종의 시각수용체의 흡광특성과 파장에 따른 행동분석 결과 및 딥러닝 기반 비정상 어류 탐지 기술은 보다 친환경적이고 집어 효율이 높은 집어등 제작, 해적생물 제거, 양식 생산성 향상 등 다양한 부분에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.